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LEDs blancos de alto brillo - (HB)


Los LEDs son la manera más eficiente de convertir una corriente eléctrica en iluminación. Cuando una corriente fluye a través de un diodo en la dirección hacia adelante, esto consiste en un exceso de electrones en movimiento en una dirección en la red y los "agujeros" (huecos en la red) moviéndose en la otra. De vez en cuando, los electrones pueden recombinarse con los agujeros. Cuando lo hacen, el proceso libera energía en forma de fotones.

Esto es cierto para todas las uniones semiconductoras, pero los LEDs utilizan materiales que maximizan el efecto. El color de la luz emitida (que corresponde a la energía del fotón) se determina por los materiales semiconductores que forman la juntura del diodo.

Los últimos LEDs blancos de alto brillo (HB) son posibles  por el descubrimiento de materiales semiconductores que producen fotones azules o ultravioletas. Además del diodo, un paquete HB contiene fósforos "amarillos " en el interior de su lente. Algunos fotones "azules" se escapan, pero otros excitan los fósforos, que luego emiten fotones "amarillos". El resultado puede ser ajustado durante la fabricación para producir luz "blanca".

Fig. LED blanco de alto brillo (HB)

El LED HB es un dispositivo electrónico excepcional para una amplia variedad de aplicaciones y alturas de montaje. Óptica diseñada con precisión, múltiples distribuciones y los flujos luminosos y temperaturas de color hacen de la eficiencia energética del HB LED la solución ideal para aplicaciones industriales, comerciales, de fabricación, gimnasio y otras aplicaciones de gran altura.

Aplicaciones :

  • Matriz LED de iluminación de vehículos
  • Tableros luminosos para el deporte y la publicidad
  • Iluminación trasera para pantallas LCD
  • Señalización
  • Iluminación de pantallas de Aviación
  • Alumbrado de aeropuertos
  • Alumbrado público
  • Iluminación de escenarios y teatro
  • Señalización de sistemas de ferrocarriles y red vial
  • Iluminación arquitectónica
  • Iluminación doméstica
  • Iluminación de la maquinaria industrial
  • Iluminación médica

Una gran parte de la ingeniería del LED se refiere al control de la calidad de esta luz. Desde el punto de vista del circuito, hay un número de maneras de interconectar múltiples LED para aumentar y controlar la salida de la luz. El enfoque general es alimentar las cadenas en serie con una corriente constante, pero hay detalles a considerar al interconectar los conductores de alimentación de CA y los esquemas de control.

Electroluminiscencia en uniones semiconductoras

Cuando la corriente está fluyendo en la dirección directa o hacia adelante a través de una juntura (unión) semiconductora de un diodo, cada vez que un electrón y un agujero se recombinan, se libera energía en forma de fotón. El color de la luz (la energía del fotón) se determina por el intervalo de la banda de energía del material semiconductor. Por ejemplo, el  arseniuro de galio-aluminio (AlGaAs) produce rojo, el nitruro de galio e indio ( InGaN ) produce verde, y seleniuro de zinc ( ZnSe ) da color azul.

La luz de los diodos LED de color rojo , verde y azul se pueden combinar para producir luz blanca, pero con un brillo limitado. Más comúnmente estos días, los diodos HB  blancos combinan un diodo de InGaN azul con un fósforo amarillo, por lo general de Itrio, aluminio granate, dopado con cerio ( Ce3 + : YAG ) en el interior de la caja del dispositivo . Los fotones del fósforo son percibidos junto con los fotones de la unión del diodo.

En términos generales, el ojo percibe el resultado como blanco. Con más detalles, que es un poco más complicado. Hay un efecto cuántico llamado desplazamiento de Stokes en el cual un fotón emitido por el fotón de fósforo tiene menos energía que el fotón absorbido desde el LED azul. En un LED blanco HB , una fracción de la luz azul sufre un desplazamiento de Stokes. Los fabricantes de LEDs se aprovechan de este fenómeno mediante el uso de múltiples capas de fósforo con diferentes energías de fotones para difundir el espectro emitido, lo que resulta en un efecto de iluminación más natural .

Eficacia luminosa

Los LEDs para iluminación se clasifican en términos de eficacia luminosa: la relación entre el flujo luminoso y la entrada de energía eléctrica. Se expresa en lúmenes/watt. Los lúmenes se definen en términos de la luz procedente de una fuente que emite un nivel estandarizado (una candela) de intensidad luminosa (lo que la mayoría de la gente llamaría brillo) de más de un ángulo sólido de un estereorradián . Estas unidades representan la sensibilidad del ojo humano al tener en cuenta algo que se llama la función de luminosidad, que las normas de los organismos han acordado que representa la respuesta del ojo a diferentes longitudes de onda.

En otras palabras, la parte del lumen es calibrada para lo que se ha decidido que es el sistema visual de un humano medio. Haciendo una comparación aproximada, el sol tiene una eficacia luminosa de 93, y una bombilla ordinaria de tungsteno tiene una eficacia luminosa de 15. Los mejores LEDs HB en el mercado actual alcanzan entre 130 y 150, y la tasa de mejora no parece estar aplanándose. Eso no quiere decir, sin embargo, que sean más brillantes que el sol. Sólo que son más eficientes que la reacción termonuclear del sol en la emisión de fotones en las longitudes de onda que podemos ver. De hecho, son 10 veces más eficientes que las antiguas bombillas.

Índice de reproducción cromática

El uso de varios fósforos "amarillos" con un LED azul o ultravioleta mejora el índice de color (IRC) del dispositivo. El IRC es una medida de cuán cerca los colores de un objeto que está siendo iluminado artificialmente se asemejan a estos colores cuando se ve bajo la luz solar real. Para el fabricante de LEDs, un alto IRC implica menor eficacia luminosa de los LEDs de un solo color. Pero para los colores de aspecto natural, un buen IRC es esencial, por lo que presenta un equilibrio de ingeniería con eficacia luminosa.

Agrupación de colores

Para los LEDs blancos individuales,  la " blancura " varía de una unidad a la otra, por lo que los fabricantes de LEDs los clasifican y agrupan para permitir a los diseñadores de iluminación mezclarlos y agruparlos para lograr el tono exacto de blanco que quieren. Esta agrupación sigue un modelo desarrollado en la década de 1950 para los nuevos fluorescentes de aquel entonces. Pero el mes a mes, las agrupaciones se están reduciendo, por lo que es más fácil alcanzar un determinado color con menos LEDs. Esto es una buena noticia, porque esas mejoras constantes en la eficacia luminosa significan que se necesita cada vez menos LEDs para conseguir una intensidad determinada de salida de luz.

Los LEDs blancos HB funcionan combinando diodos LED que emiten luz azul con los fósforos que emiten fotones de diferentes colores que al mezclarse se suman a la luz blanca. De acuerdo con Cree Inc. (Innovadora empresa de productos de iluminación líder en el mercado), la mayoría de los recientes avances en la fabricación de LEDs blancos HB es consecuencia de las técnicas empleadas para depositar el fósforo, por lo que se verá afectado  el número máximo de fotones primarios y, a su vez , emitirá el número máximo de fotones secundarios en un patrón óptimo. En otras palabras, simplemente depositando un "pegote" de fósforo en la parte superior de la unión del diodo no es un muy buen enfoque. (Un "patrón óptimo " facilita el uso de lentes y reflectores en la formación de la luz de todos los LEDs en el dispositivo.)

Fig. Haz de luz baja, luz de niebla para automóviles con LED de blanco elevado.

Embalaje del LED

Los principios ópticos básicos crean un poco de dificultad para conseguir sacar los fotones de material semiconductor de diodo, que tiende a tener índices de refracción altos. Si un fotón no puede cruzar la interfase entre el material semiconductor y el aire (o el vacío) que lo rodea, se refleja de nuevo al material y se absorbe. Si el material semiconductor fuera de forma cúbica, sólo emitiría más o menos luz en forma perpendicular a una cara u la otra del cubo. Por lo tanto, reorganizando simplemente una oblea de LEDs y tratarlos como si fueran sólo otro chip semiconductor sería insatisfactorio.

Si uno no estuviera tratando con materiales de diodos epitaxiales depositados sobre un sustrato plano, se podría pensar en la emulación de un cortador de diamante y facetando el material. Sin embargo, el enfoque más práctico es encapsular el LED en un material plástico transparente con un índice de refracción entre los índices del semi material y aire, mientras que se da forma al globo de plástico en algo más esférico, o semiesférico, aumentando el ángulo crítico en ambas interfaces.

Controlar LEDs individuales

Pareciera que el control de los LEDs debería ser simple. Son diodos, tienen una cierta caída de tensión en conducción directa, y su salida de luz depende de la corriente, para la que hay un valor que no debe ser superado para ningún diodo dado. Esto parece un conjunto manejable de parámetros, ¿no es así?. Pero la realidad es mas complicada. Como con los diodos convencionales, la corriente de los LEDs varía exponencialmente con el voltaje, es decir, un pequeño cambio en la tensión puede causar un gran cambio en la corriente. Es por eso que, en la mayoría de los casos, los LED son alimentados con fuentes de corriente constante.

Controlando conjuntos de LEDs

Pocas aplicaciones utilizan un solo LED. Ya sea para una matriz de pantalla con contraluz o para LEDs en una farola, un reemplazo para una lámpara incandescente o una lámpara fluorescente, la mayoría de los diseños necesitan más de un LED. Por lo tanto, una de las primeras decisiones que un diseñador debe tomar es si controlar los LED en serie, en paralelo o como una serie paralela de cadenas. En general, no es una buena idea controlar una serie de LEDs individuales en paralelo, ya que puede llevar a una distribución de corriente no uniforme, aunque los indicadores LED están clasificados para la misma caída de tensión en conducción directa.

El control de LEDs en serie introduce la cuestión de que ocurre cuando un solo LED falla produciendo un circuito abierto. Eso puede ser tratado en forma un poco costosa proveyendo de diodos Zener o rectificadores controlados de silicio (SCR ) en paralelo a través de cada LED. Los SCR son la opción más atractiva, ya que disipan menos energía si tienen que conducir toda la corriente del LED fallado.

Un diseño con varias cadenas paralelas, incluyendo un controlador independiente para cada cadena es obviamente más caro que utilizar menos controladores (idealmente uno) con suficiente capacidad de producción. A pesar de que un diseño que use cadenas paralelas también tiende a igualar el problema de reparto de corriente, todavía es necesario utilizar una resistencia estabilizadora para cada cadena para acomodar las variaciones en la caída de voltaje directo (Vf ) a través de los diodos.

Para calcular un valor de resistencia, asumiendo una variación de ± 10 % en la caída de voltaje directo a través de la cadena y una necesidad de igualar las corrientes en cada cadena paralela dentro de los límites de ± 20 %, comience por el supuesto de que para cada cadena la suma de las caídas de tensión en los LED en directa, además de la tensión en la resistencia estabilizadora, debe ser igual al 80 % de la tensión nominal de salida del controlador. A partir de ahí, es posible calcular tanto la resistencia estabilizadora necesaria como la capacidad máxima de corriente del controlador.

Desafíos de diseño para aplicaciones LED

Muchas aplicaciones de iluminación requieren un estricto control de la salida de color de la unidad de luz ya sea incandescente, fluorescente o LED. Los fabricantes de LEDs blanco de alto brillo (HB) han hecho grandes inversiones para producir un producto de acuerdo con las especificaciones de salida de color requeridas. Con el fin de aumentar la penetración en el mercado necesitan mejorar la potencia de salida de LED blanco de HB. Aunque los LEDs producen luz fría, es decir, no hay calor producido frente a la fuente de luz, estos producen calor en la parte trasera del diodo. Si este calor no se disipa alejándolo del diodo, el rendimiento se deteriora drásticamente, la vida de trabajo será más corta y el consumo de energía aumentará.

Un factor clave en el rendimiento de toda la iluminación del LED es un buen diseño térmico con el fin de mantener la temperatura óptima de funcionamiento, junto con los sistemas ópticos que permiten que la máxima cantidad de luz sea transmitida y enfocada a distancia desde el diodo.

Uso de encapsulantes de silicona

Los LEDs sensibles necesitan protección de la humedad y otros duros peligros ambientales. Esta protección se proporciona normalmente en dos niveles, micro y macro. Las siliconas pueden también utilizarse para mejorar la salida de luz y la eficiencia óptica global del dispositivo.

Protección del LED a nivel micro

En estas aplicaciones, geles de silicona claros y elastómeros se utilizan para encapsular los diodos individuales. Además de proporcionar protección, estos se pueden utilizar para mejorar la salida de luz del LED. Siliconas con un alto índice de refracción o una que se corresponde con el material de la lente, producen mejoras significativas. Las siliconas utilizadas a nivel micro también pueden requerirse que tengan muy bajo contenido iónico que reducirá el riesgo de interferencia con las propiedades eléctricas del diodo.

Cualquier coloración amarillenta del encapsulante debido a la exposición al calor o a la luz UV también tendrá un efecto perjudicial sobre la salida de luz y sobre todo, en el índice de temperatura de color de la luz producida por el LED. La moderna soldadura por reflujo de diodos sobre PCB requiere temperaturas de hasta 260 ºC que pueden causar esta decoloración en el epoxi y otros encapsulantes a base de resina, pero no en siliconas.

Las delicadas conexiones de los cables entre el PCB y el diodo son vulnerables a la tensión mecánica causada por las fluctuaciones en las temperaturas, por lo tanto, también es importante que el encapsulante elegido tenga propiedades de bajo módulo y un alto coeficiente de expansión térmica ( CTE ) .

Características de encapsulantes de silicona para la protección a nivel micro

  • Resistencia UV
  • No se vuelve amarillo
  • Alto índice de refracción 1,40 a 1,57
  • Bajos niveles de impurezas
  • Módulo bajo
  • Alto CTE
  • Alta y baja temperatura resistencia de -55 a 260 º C
  • Claridad óptica

Protección del LED a nivel macro

Muchas de las aplicaciones mencionadas anteriormente requerirán una mayor protección para el recubrimiento del dispositivo de iluminación final. Esta protección puede tomar la forma de encapsulación, revestimiento o sellado.

Las pantallas de visualización al aire libre, luces, señales y muchos más productos necesitarán un sellado contra la entrada de humedad. Las aplicaciones de automotores y de aviación también pueden requerir protección contra las vibraciones y el calor. El diseño térmico puede requerir cualquier encapsulante usado para tener un grado de conductividad térmica con el fin de transmitir el calor desde el diodo a un disipador de calor adecuado.

Los elastómeros de silicona se pueden formular para satisfacer muchas de las propiedades físicas requeridas por los diseñadores que trabajan con los LEDs. La elección de la silicona dependerá mucho de la aplicación, los métodos de producción, condiciones de trabajo y los requisitos técnicos de los elastómeros.

Fig. Pantalla de LEDs de visualización al aire libre (Courtesy of Shenzhen Gloshine Technology Co.,Ltd)

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Características de la silicona utilizada en aplicaciones macro

  • Sistemas de 1 y 2 partes
  • Curado al calor o RTV
  • Rango de dureza del Gel a 80 Shore A
  • Conductividad térmica 0,30 a 2,5 W / mK
  • Amplia temperatura de funcionamiento -115 a 300 º C
  • Ópticamente transparente u opaca
  • Auto adhesiva
  • Eléctricamente aislante
  • Repelente al agua
  • Resistente a las vibraciones
  • No corrosiva
  • Resistente a los rayos UV
  • UL94 V -0 aprobado
  • Amplia gama de viscosidad

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